2.5. Термический участок

Термическая обработка позволяет значительно изменить многие свой­ства металлов, особенно механические.

В машиностроении термической обработке подвергается более половины объема выпускаемой номенклатуры деталей — от деталей приборов, разнообразных деталей машин до крупных элементов ме­таллургического и энергетического оборудования.

Основными факторами воздействия при термической обработке являются температура и время. Изменяя температуру и скорость на­грева или охлаждения, можно целенаправленно изменять структуру и свойства стали в зависимости от требований, предъявляемых к изде­лиям. Выбор вида термической обработки определяется характером требуемых структурных изменений в металле. К основным видам тер­мической обработки относятся отжиг, закалка и отпуск.

Отжиг является весьма распространенной операцией термической обработки сталей и чугунов. В зависимости от назначения отжига ре­жимы его могут быть различными. При отжиге сталь нагревают ниже или выше температур критических точек, выдерживают при этой тем­пературе и затем медленно охлаждают (обычно вместе с печью). В ре­зультате получается стабильная структура. Отжиг применяют для уст­ранения неоднородности микроструктуры литых деталей, для снятия наклепа в материале после прокатки, ковки и других видов обработ­ки, а также для подготовки детали к последующей технологической операции (резанию, закалке и т. д.). Различают рекристаллизационный и диффузионный отжиг.

Закалка является основным видом упрочняющей термической обра­ботки сталей и чугунов. При закалке детали нагревают выше критиче­ских температур, а затем охлаждают со скоростью, превышающей критическую Под критической скоростью закалки понимают мини­мальную скорость охлаждения, обеспечивающую бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит. Это позволяет получить неравно­весную структуру с высокой твердостью, износостойкостью и прочно­стью. После закалки стали обычно следует отпуск, позволяющий снять термические напряжения и оптимизировать ее свойства.

Температуру закалки выбирают в зависимости от тем­пературы критических точек с учетом химического состава сталей. Для углеродистых сталей температура закалки определяется по левой ниж­ней части диаграммы Fe—Fe₃C. В зависимости от температуры нагрева закалка бывает полной и неполной. При полной закалке изделия нагре­вают на 30...50 °С выше линии Ас, а при неполной — на 30...50 °С выше линии Лс. Перегрев выше указанных температур приводит к ухудше­нию структуры углеродистых сталей из-за роста аустенитного зерна. Для легированных сталей, содержащих специальные карбиды, нагрев ведут на 150. ..250 °С выше критических точек для полного растворения карбидов перед закалкой достигаются погружением закаленных деталей в холодную воду. Быстрое охлаждение необходимо только в интервале наименьшей устойчивости аустенита, а при дальнейшем понижении температур, особенно в мартенситном интервале, быстрое охлаждение не только, не нужно, но и нежелательно, так как ведет к увеличению остаточных напряжений и образованию трещин.

Нежелательно и слишком медленное охлаждение в мартенситном интервале, так как может произойти частичный отпуск мартенсита и возрасти количество остаточного аустенита из-за его стабилизации, что снижает твердость стали. Наилучшей закалочной средой является та, которая быстро охлаждает в интервале температур 550...650 °С (об­ласть температур наименьшей устойчивости аустенита) и медленно — ниже 200...300 °С (область температур мартенситного превращения).

Отпуском называют финишную термическую обработку, заключаю­щуюся в нагреве закаленной стали до температур ниже Ас_х, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении. Низкий отпуск проводят при нагреве до 250 °С, после чего следует выдержка в течение 1.-1,5 ч в зависимости от размеров детали и охлаж­дение. Применяют его для режущего и измерительного инструмента, деталей, подвергаемых поверхностной закалке, цементации, нитроцементации. После низкого отпуска снижа­ются закалочные напряжения, мартенсит закалки пре­вращается в мартенсит отпуска, повышается прочность и несколько — вязкость. Твердость остается высокой (58...63 HRC₃) и почти не снижается по сравнению с закаленной сталью.

Средний отпуск проводят при нагреве до 350...500 °С, затем следует выдержка от 1 до 8 ч в зависимости от массы детали и охлаждение, как правило, на спокойном воздухе. Этот вид отпуска применяют для пружин, рессор и некоторых видов штампового инструмента. В ре­зультате такой обработки достигаются высокие значения пределов упругости и выносливости.

Высокий отпуск проводят при температурах 500...680 °С в течение 1 ...6 ч в зависимости от габаритов изделия и затем изделия охлаждают на воздухе. Для легированных сталей применяют охлаждение в воде или масле с целью предотвращения отпускной хрупкости. Этот вид отпуска используют для нагруженных конструкционных деталей из среднеуглеродистых конструкционных сталей с целью обеспечения наилучшего соотношения прочности и вязкости.

Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением. Улучшение значительно повышает конструкци­онную прочность стали, уменьшая ее чувствительность к концентрато­рам напряжений, увеличивая работу развития трещин и снижая темпе­ратуру порога хладноломкости.